(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
燃料電池の含水量を算出する含水量算出手段と、
燃料電池の内部インピーダンスを算出する内部インピーダンス算出手段と、
前記含水量算出手段によって算出される前回システム停止時における前記燃料電池の含水量と、前記内部インピーダンス算出手段によって算出されるシステム始動時における前記燃料電池の内部インピーダンスとに基づいて、システム始動時の燃料電池温度を算出する始動時温度算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記始動時温度算出手段は、含水量、内部インピーダンス、及び燃料電池温度の関係を規定する特性図を用い、前回システム停止時における含水量及びシステム始動時における内部インピーダンスから、システム始動時の燃料電池温度を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を検出する冷却水温度検出部をさらに備え、
前記含水量算出手段は、システム停止時に検出した冷却水温度と、システム停止時に算出した内部インピーダンスとに基づいて、前記燃料電池の含水量を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
システム停止前に、前記燃料電池の含水量を低下させる乾燥運転を実施する運転制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に供給されるアノードガスは水素であって、
システム始動時に前記燃料電池内の水素濃度が所定値よりも低い低水素濃度状態となっているか否かを判定する濃度判定手段をさらに備え、
前記始動時温度算出手段は、前記燃料電池内が低水素濃度状態となっている場合には、前回システム停止時における前記燃料電池の含水量と、前記燃料電池に水素を供給する前に算出されたシステム始動時における前記燃料電池の内部インピーダンスとに基づいて、システム始動時の燃料電池温度を算出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記始動時温度算出手段は、前記燃料電池内が低水素濃度状態となっていない場合には、前回システム停止時における前記燃料電池の含水量と、前記燃料電池に水素を供給した後に算出されたシステム始動時における前記燃料電池の内部インピーダンスとに基づいて、前記燃料電池温度を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記内部インピーダンス算出手段は、所定周波数の交流電流を前記燃料電池に重畳した時の前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスを算出するとともに出力電流に対する出力電圧の位相遅れを算出し、
前記濃度判定手段は、システム始動時における前記位相遅れに基づいて、前記燃料電池内が低水素濃度状態となっているか否かを判定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記濃度判定手段は、システム始動時における前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記燃料電池内が低水素濃度状態となっているか否かを判定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記始動時温度算出手段によって算出されたシステム始動時の燃料電池温度に基づいて、車両が走行可能な状態にあるか否かを判断する走行可否判断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記始動時温度算出手段によって算出されたシステム始動時の燃料電池温度に基づいて、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かを判断する暖機可否判断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを供給して燃料電池を発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、システム始動時に冷却水温度センサを用いて冷却水温度を検出し、検出された冷却水温度をシステム始動時における燃料電池温度とする燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１８６５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムを氷点下において始動する場合には、燃料電池内の生成水が凍結したり燃料電池の発電性能が低下したりするため、燃料電池システムにおける発電部位が暖機されるまで車両の走行を制限することがある。そのため、燃料電池システムでは、システム始動時に算出した燃料電池温度を用いて車両の走行許可判断を行っている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、冷却水温度センサを用いてシステム始動時の燃料電池温度を求めるため、システム始動後に冷却水を数秒程度通流させてから冷却水温度を検出する必要があり、燃料電池温度を算出するまでに時間がかかるという問題があった。このように燃料電池温度の算出に時間がかかると、燃料電池温度を用いた車両の走行許可判断も遅れることになる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、システム始動時の燃料電池温度を短時間で精度よく算出可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池の含水量を算出する含水量算出手段と、燃料電池の内部インピーダンスを算出する内部インピーダンス算出手段と、含水量算出手段によって算出される前回システム停止時における燃料電池の含水量と、内部インピーダンス算出手段によって算出されるシステム始動時における燃料電池の内部インピーダンスとに基づいて、システム始動時の燃料電池温度を算出する始動時温度算出手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、システム始動後すぐに算出可能な燃料電池の含水量及び内部インピーダンスを用いて燃料電池温度を算出するので、従来技術と比較して短時間で高精度の燃料電池温度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池システムが備えるコントローラが実行する内部インピーダンス算出処理を示すフローチャートである。
【図３】バンドパスフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【図４】コントローラが実行するシステム始動時の車両走行許可判断処理を示すフローチャートである。
【図５】所定温度毎の燃料電池スタックの内部インピーダンスと燃料電池スタックの含水量との関係を表すマップデータである。
【図６】所定温度毎の燃料電池スタックの内部インピーダンスと燃料電池スタックの含水量との関係を表すマップデータである。
【図７】始動時燃料温度−上限出力値特性を示す図である。
【図８】所定温度毎の燃料電池スタックの内部インピーダンスと燃料電池スタックの含水量との関係を表すマップデータである。
【図９】第２実施形態による燃料電池システムが備えるコントローラが実行する乾燥運転制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】交流周波数−位相遅れθ特性を示す図である。
【図１１】１ｋＨｚの交流電流を燃料電池スタックに重畳した時に算出される燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【図１２】第３実施形態による燃料電池システムが備えるコントローラが実行するシステム始動時の車両走行許可判断処理を示すフローチャートである。
【図１３】燃料電池スタックの出力電圧−位相遅れθ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
燃料電池は、電解質膜を燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とで挟んで構成されており、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。
【００１２】
アノード電極：  ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-             ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ      ・・・（２）
【００１３】
これら（１）（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。
【００１４】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス供給装置２と、カソードガス供給装置３と、冷却装置４と、インバータ５と、駆動モータ６と、バッテリ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、コントローラ６０と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１は、所定枚数の燃料電池１０を積層して構成されている。燃料電池スタック１は、アノードガス（水素）及びカソードガス（空気）の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ６等の各種電装部品に電力を供給する。燃料電池スタック１は、電力を取り出すための出力端子として、アノード側端子１１とカソード側端子１２とを有している。
【００１８】
アノードガス供給装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。
【００１９】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスとしての水素を高圧状態に保って貯蔵する容器である。
【００２０】
アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２の一端は高圧タンク２１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。
【００２１】
調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、アノードガス供給通路２２に設置される。調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出された高圧状態のアノードガスを所定の圧力に調節する。調圧弁２３の開度はコントローラ６０によって制御される。
【００２２】
圧力センサ２４は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に設けられる。圧力センサ２４は、アノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４で検出されたアノードガスの圧力は、バッファタンク２６や燃料電池スタック１内部のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
【００２３】
アノードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１とバッファタンク２６とを連通する通路である。アノードガス排出通路２５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク２６の上部に接続される。アノードガス排出通路２５には、電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック１内においてカソード側からアノードガス流路へとリーク（クロスオーバー）してきた窒素や水蒸気等を含む不純ガスとの混合ガス（以下、「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００２４】
バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。アノードオフガスに含まれる水蒸気の一部は、バッファタンク２６内で凝縮して凝縮水となり、アノードオフガスから分離される。
【００２５】
パージ通路２７は、バッファタンク２６を外部に連通させる通路である。パージ通路２７の一端はバッファタンク２６の下部に接続され、パージ通路２７の他端は開口端として形成される。バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスは、後述のカソードガス排出通路３５からパージ通路２７に流入するカソードオフガスによって稀釈され、凝縮水とともにパージ通路２７の開口端から外部へ排出される。
【００２６】
パージ弁２８は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であり、パージ通路２７に設置される。パージ弁２８の開度を調節することで、パージ通路２７から外部へ排出されるアノードオフガスの量が調整される。パージ弁２８の開度はコントローラ６０によって制御される。
【００２７】
カソードガス供給装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、コンプレッサ３３と、圧力センサ３４と、カソードガス排出通路３５と、調圧弁３６と、を備える。
【００２８】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスである空気が流れる通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。
【００２９】
フィルタ３２は、外部から取り込まれる空気に含まれる塵や埃等の異物を除去するものである。フィルタに３２によって異物が除去された空気が、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスとなる。
【００３０】
コンプレッサ３３は、フィルタ３２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路３１に設置される。コンプレッサ３３は、フィルタ３２を介して取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック１に圧送する。
【００３１】
圧力センサ３４は、コンプレッサ３３よりも下流側のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ３４で検出されたカソードガスの圧力は、燃料電池スタック１内部のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
【００３２】
カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１とアノードガス供給装置２のパージ通路２７とを連通する通路である。カソードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端はパージ弁２８よりも下流側のパージ通路２７に接続される。燃料電池スタック１において電気化学反応に使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、カソードガス排出通路３５を介してパージ通路２７に排出される。
【００３３】
調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、カソードガス排出通路３５に設置される。調圧弁３６は、コントローラ６０によって開度が制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。
【００３４】
冷却装置４は、冷却水によって燃料電池スタック１を冷却するための装置であり、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却水温度センサ４４，４５と、を備える。
【００３５】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。
【００３６】
冷却水循環ポンプ４２は、冷却水を循環させる圧送装置であって、冷却水循環通路４１に設置される。
【００３７】
ラジエータ４３は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却するための放熱器であって、冷却水循環ポンプ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設置される。
【００３８】
冷却水温度センサ４４，４５は、冷却水の温度を検出するセンサである。冷却水温度センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水入口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度を検出する。これに対して、冷却水温度センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却水出口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。
【００３９】
インバータ５は、スイッチ部５１及び平滑コンデンサ５２を備え、アノード側端子１１及びカソード側端子１２を介して燃料電池スタック１に電気的に接続される。スイッチ部５１は、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に又は交流を直流に変換する。平滑コンデンサ５２は、燃料電池スタック１と並列に接続されて、スイッチ部５１でのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。
【００４０】
駆動モータ６は、三相交流モータであって、インバータ５から供給される交流電流によって作動して車両を駆動させるトルクを発生する。
【００４１】
バッテリ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動モータ６及び燃料電池スタック１と電気的に接続される。バッテリ７は、リチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに入力電圧を任意の出力電圧に変換する。
【００４３】
コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０には、圧力センサ２４，３４や冷却水温度センサ４４，４５の他に、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ６１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ６２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ６３、バッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６４からの検出信号が、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号として入力する。
【００４４】
コントローラ６０は、これらの入力信号に基づいて燃料電池スタック１の目標燃料電池電圧等を算出し、燃料電池スタック１に供給するアノードガス及びカソードガスの流量等を制御する。
【００４５】
また、コントローラ６０は、燃料電池システム１００を起動するシステム始動時において、燃料電池スタック１の燃料電池温度（燃料電池１０の電解質膜の温度）を算出し、算出した燃料電池温度に基づいて車両走行許可判断を実行する（図４参照）。
【００４６】
本実施形態による燃料電池システム１００では、コントローラ６０は、前回システム停止時における燃料電池スタック１の含水量（燃料電池１０の電解質膜の湿潤度）及び今回システム始動時における燃料電池スタック１の内部インピーダンス（燃料電池１０の電解質膜の内部インピーダンス）を用いることで、システム始動直後に精度よく燃料電池温度を算出している。
【００４７】
まず、図２を参照して、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出方法について説明する。
【００４８】
図２は、コントローラ６０が実行する燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理は、従来から知られている交流インピーダンス法に基づくものである。内部インピーダンス算出処理は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【００４９】
Ｓ１０１（ステップ１０１）において、コントローラ６０は、車両運転状態に応じて設定される燃料電池スタック１の目標燃料電池電圧に１ｋＨｚの交流電圧値を加算したものを、今回の目標燃料電池電圧として設定する。
【００５０】
Ｓ１０２において、コントローラ６０は、Ｓ１０１で設定した目標燃料電池電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、交流電圧を燃料電池スタック１に印加することで、燃料電池スタック１の出力電流に交流電流が重畳される。このようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御することで、燃料電池の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含んだ交流電圧及び交流電流となる。
【００５１】
Ｓ１０３において、コントローラ６０は、電流センサ６１を用いて燃料電池スタック１の出力電流を検出するとともに、電圧センサ６２を用いて燃料電池スタック１の出力電圧を検出する。
【００５２】
Ｓ１０４において、コントローラ６０は、Ｓ１０３で検出した電流値及び電圧値の直流成分をバンドパスフィルタを用いて除去し、交流電流値及び交流電圧値を算出する。なお、バンドパスフィルタは、図３に示すように、通過帯域中心が１ｋＨｚに設定された周波数−振幅特性を有するフィルタである。
【００５３】
Ｓ１０５において、コントローラ６０は、交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける電流振幅値を算出する。
【００５４】
Ｓ１０６において、コントローラ６０は、交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける電圧振幅値を算出する。
【００５５】
Ｓ１０７において、コントローラ６０は、Ｓ１０６で算出した電圧振幅値をＳ１０５で算出した電流振幅値で除して、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出する。
【００５６】
Ｓ１０８において、コントローラ６０は、交流電流値及び交流電圧値にフーリエ変換処理を施し、交流電流値に対する交流電圧値の位相遅れθを算出して、内部インピーダンス算出処理を終了する。
【００５７】
次に、図４を参照して、コントローラ６０が実行するシステム始動時の車両走行許可判断処理について説明する。車両走行許可判断処理は、イグニッションスイッチがオンされてから車両走行が許可されるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【００５８】
Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池温度算出要求があるか否かを判定する。システム始動直後や車両走行禁止が報知されている場合等に、コントローラ６０は、燃料電池温度算出要求があると判定してＳ２０２の処理を実行する。これに対して、車両走行許可が報知されている場合等に、コントローラ６０は、燃料電池温度算出要求がないと判定して車両走行許可判断処理を終了する。
【００５９】
Ｓ２０２において、コントローラ６０は、図５に示すマップデータを参照し、前回システム停止時における燃料電池温度及び燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、システム停止時における燃料電池スタック１の含水量を算出する。
【００６０】
なお、前回システム停止時における燃料電池温度は、イグニッションスイッチがオフされた時に、冷却水温度センサ４４によって検出された冷却水温度と冷却水温度センサ４５によって検出された冷却水温度との平均値である。また、前回システム停止時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、イグニッションスイッチがオフされた時に、内部インピーダンス算出処理（図２参照）で算出された内部インピーダンスである。
【００６１】
図５は、燃料電池スタック１の含水量を算出するために使用されるマップデータである。このマップデータは、燃料電池システム１００が使用される温度領域において所定温度毎の燃料電池スタック１の内部インピーダンスと燃料電池スタック１の含水量との関係を規定する特性図である。マップデータは、予め設定されたデータであって、コントローラ６０のＲＯＭ等に記憶されている。
【００６２】
図５のマップデータに示すように、燃料電池温度が一定の場合には、燃料電池スタック１の含水量が小さく燃料電池１０の電解質膜が乾燥しているほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは大きくなる。また、燃料電池スタック１の含水量が一定である場合には、燃料電池温度が低くなるほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは大きくなる。このように、内部インピーダンス−含水量特性における等温度線は、燃料電池温度が高くなるほど図中右上に位置するようになる。
【００６３】
例えば、前回システム停止時における燃料電池温度がＴ１で、燃料電池スタック１の内部インピーダンスがＺｅである場合には、図５のマップデータから前回システム停止時における燃料電池スタック１の含水量はＷｅと算出される。
【００６４】
Ｓ２０２で燃料電池スタック１の含水量Ｗｅを算出した後、Ｓ２０３において、コントローラ６０は、システム始動時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺｓを算出する。システム停止時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、イグニッションスイッチがオンされた時に、内部インピーダンス算出処理（図２参照）によって算出される。
【００６５】
Ｓ２０４において、コントローラ６０は、図６に示すマップデータを参照し、Ｓ２０２で算出した前回システム停止時の燃料電池スタック１の含水量Ｗｅ及びＳ２０３で算出したシステム始動時の内部インピーダンスＺｓに基づいて、システム始動時における始動時燃料電池温度Ｔｓを算出する。
【００６６】
図６は、燃料電池温度を算出するために使用されるマップデータである。図６のマップデータは、図５に示したマップデータと同じマップデータである。前回システム停止時における燃料電池スタック１の含水量がＷｅで、システム始動時の燃料電池スタック１の内部インピーダンスがＺｓである場合には、図６のマップデータから始動時燃料電池温度ＴｓはＴ２と算出される。
【００６７】
なお、始動時燃料電池温度Ｔｓの算出では、前回停止時から始動時までの間に燃料電池スタック１の含水量がほとんど変化していないことを前提として、前回システム停止時における燃料電池スタック１の含水量Ｗｅを使用している。
【００６８】
Ｓ２０５において、コントローラ６０は、始動時燃料電池温度Ｔｓに基づいて、燃料電池スタック１の上限出力値Ｐｍａｘを算出する。燃料電池スタック１の上限出力値Ｐｍａｘは、図７に示す予め設定された始動時燃料温度−上限出力値特性から求められる。図７に示すように、始動時燃料電池温度Ｔｓが高いほど、システム始動時における燃料電池スタック１の上限出力値Ｐｍａｘは大きくなる。
【００６９】
Ｓ２０６において、コントローラ６０は、上限出力値Ｐｍａｘが走行可能出力値Ｐ０よりも大きいか否かを判定する。走行可能出力値Ｐ０は、駆動モータ６が車両を走行させるために必要なトルクを発生可能な燃料電池スタック１の出力電流値に基づいて設定されている。
【００７０】
Ｓ２０６の処理において、上限出力値Ｐｍａｘが走行可能出力値Ｐ０よりも大きいと判定された場合には、コントローラ６０はＳ２０７の処理を実行する。
【００７１】
Ｓ２０７では、コントローラ６０は、車両を走行させることが可能であると判断して走行許可報知処理を実行し、車両走行許可判断処理を終了する。走行許可報知処理では、青色の走行許可ランプを点灯させる等して、車両が走行可能状態であることを運転者に報知する。
【００７２】
一方、Ｓ２０６の処理において、上限出力値Ｐｍａｘが走行可能出力値Ｐ０以下であると判定された場合には、コントローラ６０はＳ２０８及びＳ２０９の処理を実行する。
【００７３】
Ｓ２０８において、コントローラ６０は、システム始動時における燃料電池温度が低く燃料電池スタック１からの出力が不足しており車両の走行を制限する必要があると判断して、走行禁止報知処理を実行する。走行禁止報知処理では、赤色の走行禁止ランプを点灯させる等して、車両が走行禁止状態であることを運転者に報知する。
【００７４】
Ｓ２０９において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１を暖機するための暖機処理を実行し、車両走行許可判断処理を終了する。暖機処理では、燃料電池スタック１の上限出力値Ｐｍａｘよりも小さい出力で動作可能な補器類等に燃料電池スタック１から電力を供給し、燃料電池スタック１の暖機を行う。
【００７５】
なお、バッテリ７の電力を用いてヒータを作動させ、ヒータを介して燃料電池スタック１を暖めるようにしてもよい。
【００７６】
また、Ｓ２０５及びＳ２０６の処理では、始動時燃料電池温度Ｔｓから算出した上限出力値Ｐｍａｘに基づいて走行許可又は走行禁止の判定を行うようにしたが、始動時燃料電池温度Ｔｓに基づいて走行許可又は走行禁止の判定を行うようにしてもよい。この場合には、コントローラ６０は、始動時燃料電池温度Ｔｓが基準温度（例えば０度）よりも大きい場合にＳ２０７の処理を実行して、始動時燃料電池温度Ｔｓが基準温度以下の場合にＳ２０８及びＳ２０９の処理を実行する。
【００７７】
上記のように構成される本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００７８】
燃料電池システム１００では、前回システム停止時に検出された冷却水温度及び燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて燃料電池スタック１の含水量を算出し、前回システム停止時の燃料電池スタック１の含水量とシステム始動時の内部インピーダンスとに基づいてシステム始動時における始動時燃料電池温度を算出する。このようにシステム始動とほぼ同時に算出可能な燃料電池スタック１の含水量及び内部インピーダンスを用いて燃料電池温度を算出するので、システム始動後に冷却水を循環させてから冷却水温度センサの検出値に基づいて燃料電池温度を算出する従来技術と比較して、システム始動後すぐに高精度の燃料電池温度を求めることができる。
【００７９】
また、燃料電池システム１００では、始動時燃料電池温度又は始動時燃料電池温度から求められる燃料電池スタック１の上限出力値に基づいて走行可否判断を実施するので、システム始動後すぐに走行可否判断結果を得ることができる。
【００８０】
さらに、燃料電池システム１００では、始動時燃料電池温度又は始動時燃料電池温度から求められる燃料電池スタック１の上限出力値にに基づいて暖機可否判断を実施するので、システム始動後すぐに暖機可否判断結果を得ることができる。
【００８１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、システム停止時に燃料電池スタック１の含水量が低下するように乾燥運転を実施する点において、第１実施形態の燃料電池システムと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００８２】
なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【００８３】
図８は、第２実施形態による燃料電池システム１００が備えるコントローラ６０が実行する走行許可判断処理において、燃料電池スタック１の含水量や始動時燃料電池温度を算出するために使用されるマップデータである。図８のマップデータは、図５及び図６のマップデータと同じものである。
【００８４】
図８に示すように、燃料電池温度毎の内部インピーダンス−含水量特性においては、燃料電池スタック１の含水量が小さくなるほど、燃料電池温度変化に対する燃料電池スタック１の内部インピーダンスの変化量ΔＺが大きくなる。例えば、燃料電池温度がＴ１からＴ２に変化した時の燃料電池スタック１の内部インピーダンス変化量は、燃料電池スタック１の含水量がＷ１である場合にはΔＺ１となり、燃料電池スタック１の含水量がＷ２である場合にはΔＺ１よりも大きいΔＺ２となる。
【００８５】
第２実施形態の燃料電池システム１００では、システム停止前に燃料電池スタック１の含水量が低下するように乾燥運転を実施して、燃料電池温度変化に対する内部インピーダンスの変化量が大きくなる状態としておくことで、次回システム始動時における内部インピーダンスの検出精度を高めている。
【００８６】
図９は、コントローラ６０が実行する乾燥運転制御処理を示すフローチャートである。乾燥運転制御処理は、イグニッションスイッチがオフされてから乾燥運転が終了するまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【００８７】
Ｓ３０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の含水量を低下させる乾燥運転を実施する。
【００８８】
燃料電池システム１００では、通常運転時に燃料電池スタック１の内部インピーダンスが通常運転用設定値となるように制御することで、燃料電池１０の電解質膜が適度な湿潤度を保つようにして発電効率を高めている。イグニッションスイッチがオフされると、すぐにシステム停止せずに乾燥運転を実施する。乾燥運転では、燃料電池スタック１の目標内部インピーダンスが、通常運転用設定値から、通常運転用設定値よりも高く設定された停止用設定値に切り替えられる。そして、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが停止用設定値に到達するまで、燃料電池スタック１へのカソードガス供給流量を大きくする等して燃料電池スタック１の含水量を低下させる。
【００８９】
Ｓ３０２では、コントローラ６０は、図２の内部インピーダンス算出処理に基づいて、乾燥運転時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。
【００９０】
Ｓ３０３では、コントローラ６０は、Ｓ３０２で算出した乾燥運転時の内部インピーダンスが停止用設定値に到達したか否かを判定する。
【００９１】
乾燥運転時の内部インピーダンスが停止用設定値に到達していない場合には、コントローラ６０は、Ｓ３０４〜Ｓ３０６における乾燥運転終了処理を実行せずに、乾燥運転制御処理を終了する。
【００９２】
一方、乾燥運転時の内部インピーダンスが停止用設定値に到達した場合には、コントローラ６０は、Ｓ３０４〜Ｓ３０６における乾燥運転終了処理を実行する。
【００９３】
Ｓ３０４において、コントローラ６０は、冷却水温度センサ４４によって検出された冷却水温度と冷却水温度センサ４５によって検出された冷却水温度との平均値を、システム停止時における燃料電池温度として算出する。
【００９４】
Ｓ３０５において、コントローラ６０は、図２の内部インピーダンス算出処理に基づいて、システム停止時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。
【００９５】
Ｓ３０４及びＳ３０５で算出されたシステム停止時における燃料電池温度及び内部インピーダンスは、図４のＳ２０２において燃料電池スタック１の含水量を算出するために使用される。
【００９６】
Ｓ３０６において、コントローラ６０は、乾燥運転を終了して、燃料電池システム１００を停止させる。
【００９７】
上記のように構成される本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００９８】
燃料電池システム１００では、システム停止前に燃料電池スタック１の含水量が低下するように乾燥運転を実施するので、システム停止後から次回システム始動時における燃料電池温度変化に対する燃料電池スタック１の内部インピーダンス変化量が大きくなり、システム始動時における内部インピーダンスの算出精度を高めることができる。これにより、第１実施形態の場合よりも、精度よく始動時燃料電池温度を算出することが可能となる。
【００９９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、始動時燃料電池温度の算出の仕方をアノード系のアノードガス濃度（水素濃度）に応じて変更する点において、第１又は第２実施形態の燃料電池システムと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１００】
図２に示した内部インピーダンス算出処理では、Ｓ１０７で燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出するとともに、Ｓ１０８で１ｋＨｚの交流電流値に対する交流電圧値の位相遅れθを算出している。この位相遅れθはアノード系内の水素濃度と相関があることが、本願出願人らの研究により明らかになった。
【０１０１】
図１０は、交流周波数と位相遅れθとの関係を示す図である。実線は燃料電池システム１００のアノード系内が水素で満たされている場合を示し、破線はアノード系内のほとんどが空気で満たされている場合を示す。
【０１０２】
システム停止直後等、燃料電池システム１００のアノード系内が水素で満たされている状態では、Ｓ１０８で算出される１ｋＨｚでの位相遅れθ１は、図１０の実線に示すようにほぼゼロに近い値となる。
【０１０３】
一方、システム停止後からある程度の時間が経過すると、燃料電池システム１００のアノード系内はカソード側からリークしてきた空気等によって満たされる。アノード系内のほとんどが空気で満たされ、水素濃度が低下した状態では、Ｓ１０８で算出される１ｋＨｚでの位相遅れθ２は、図１０の破線に示すように位相遅れθ１よりも大きく遅れた値として算出される。
【０１０４】
このように、燃料電池システム１００のアノード系内の水素濃度が低下するほど、交流電流値に対する交流電圧値の位相遅れθは大きくなる。図１１に示すように、アノード系内の水素濃度が低く位相遅れθが大きい場合には、アノード系内の水素濃度が高く位相遅れがほとんどない場合と比較して、燃料電池温度及び含水量が一定であるとした時の内部インピーダンスは大きく算出される。
【０１０５】
図１１は、１ｋＨｚの交流電流を燃料電池スタック１に重畳した時に算出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。横軸は内部インピーダンスの実部であり、縦軸は内部インピーダンスの虚部である。
【０１０６】
図１１に示すように、アノード系内の水素濃度が低い場合の内部インピーダンスは、アノード系内の水素濃度が高い場合の内部インピーダンスと比べて位相遅れが大きく、実部の値がほとんど変わらずに虚部の値が大きくなる。これにより、矢印の長さで表わされる内部インピーダンスの大きさは、高水素濃度の場合よりも低水素濃度の場合の方が大きなる。
【０１０７】
第３実施形態の燃料電池システム１００では、アノード系内の水素濃度に応じて燃料電池スタック１の内部インピーダンスが変化することに着眼し、始動時燃料電池温度の算出の仕方をアノード系の水素濃度に応じて変更することで、始動時燃料電池温度の算出精度を高めている。
【０１０８】
図１２を参照して、第３実施形態による燃料電池システム１００が備えるコントローラ６０が実行するシステム始動時の車両走行許可判断処理について説明する。図１２の車両走行許可判断処理では、図４のＳ２０３及びＳ２０４の処理を実行する代わりに、Ｓ２１０〜Ｓ２１４の処理を実行する。図１２のＳ２０１，Ｓ２０２，Ｓ２０５〜Ｓ２０９の処理は図４のものと同じである。
【０１０９】
Ｓ２０２の処理で前回停止時における燃料電池スタック１の含水量Ｗｅを算出した後、Ｓ２１０において、コントローラ６０は、アノード系内の水素濃度が低下しているか否かを判定する。水素濃度低下判定は、イグニッションスイッチがオンされた直後であって燃料電池スタック１に水素を供給する前に算出した位相遅れθ（図２のＳ１０８）に基づいて行われる。
【０１１０】
位相遅れθが基準値よりも遅れていない場合には、アノード系内にある程度水素が残っており低水素濃度ではないと判定し、コントローラ６０は、Ｓ２１１及びＳ２１２の処理を実行する。
【０１１１】
Ｓ２１１において、コントローラ６０は、調圧弁２３を所定開度に設定して燃料電池スタック１にアノードガスを供給した後に、システム始動時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺｓ１を算出する。アノード系内に水素及び空気がある程度存在する場合には、燃料電池スタック１内における水素濃度分布のばらつきに起因して内部インピーダンス算出精度が低下してしまう。そのため、アノード系内を水素で満たすことによって、燃料電池スタック１内における水素濃度分布を略均一にして、内部インピーダンス算出精度の低下を抑制する。
【０１１２】
Ｓ２１２において、コントローラ６０は、図６と同じマップデータである通常水素濃度用マップデータを参照し、前回システム停止時の燃料電池スタック１の含水量Ｗｅ及びシステム始動時の内部インピーダンスＺｓ１に基づいて、システム始動時における始動時燃料電池温度Ｔｓを算出する。
【０１１３】
Ｓ２１２の処理後、コントローラ６０はＳ２０５以降の処理を実行する。
【０１１４】
一方、Ｓ２１０において、位相遅れθが基準値よりも遅れており、アノード系内のほとんどが空気で満たされた低水素濃度であると判定された場合には、コントローラ６０は、Ｓ２１３及びＳ２１４の処理を実行する。
【０１１５】
Ｓ２１３において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する前に、システム始動時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺｓ２を算出する。アノード系内のほとんどが空気で満たされている状態では燃料電池スタック１の内部インピーダンスは大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が改善され、精度よく内部インピーダンスを算出することができる。
【０１１６】
Ｓ２１４において、コントローラ６０は、低水素濃度用マップデータを参照し、前回システム停止時の燃料電池スタック１の含水量Ｗｅ及びシステム始動時の内部インピーダンスＺｓ２に基づいて、システム始動時における始動時燃料電池温度Ｔｓを算出する。低水素濃度用マップデータにおける内部インピーダンスは、通常水素濃度用マップデータの同含水量及び同燃料電池温度における内部インピーダンスよりも大きく設定されている。
【０１１７】
Ｓ２１４の処理後、コントローラ６０はＳ２０５以降の処理を実行する。
【０１１８】
上記のように構成される本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１９】
燃料電池システム１００では、アノード系内のほとんどが空気で満たされている低水素濃度状態において、燃料電池スタック１に水素（アノードガス）を供給する前に、システム始動時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺｓ２を算出する。アノード系内のほとんどが空気で満たされている状態では、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは大きくなるため、内部インピーダンス算出時のＳ／Ｎ比が改善される。このシステム始動時の内部インピーダンスＺｓ２を用いることで、始動時燃料電池温度Ｔｓを精度よく求めることが可能となる。
【０１２０】
また、燃料電池システム１００では、アノード系内が低水素濃度状態でない場合において、燃料電池スタック１に水素（アノードガス）を供給した後に、システム始動時における燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺｓ１を算出する。アノード系内を水素で満たして、燃料電池スタック１内における水素濃度分布を略均一にすることで、システム始動時における内部インピーダンスＺｓ１の算出精度の低下を抑制することができる。
【０１２１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１２２】
例えば、第３実施形態による燃料電池システム１００では、図１２に示した車両走行許可判断処理のＳ２１０において、算出した位相遅れθと基準値とを比較することで水素濃度の低下を判定するようにしたが、システム始動後であって燃料電池スタック１に水素を供給する前における燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて水素濃度の低下を判定するようにしてもよい。燃料電池スタック１の出力電圧とアノード系内の水素濃度に起因する位相遅れθとの間には図１３に示すような相関関係があり、システム始動直後の燃料電池スタック１の出力電圧がＶａよりも小さくなっていることを検出することで、位相遅れθが基準値よりも遅れていることを検知できる。したがって、燃料電池スタック１に水素を供給する前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧が基準電圧Ｖａより小さい場合に、アノード系内が低水素濃度状態であると判断することが可能となる。
【符号の説明】
【０１２３】
１００  燃料電池システム
１      燃料電池スタック
２      アノードガス供給装置
３      カソードガス供給装置
６      駆動モータ
７      バッテリ
８      ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０    燃料電池
２１    高圧タンク
２２    アノードガス供給通路
２３    調圧弁
３１    カソードガス供給通路
３２    フィルタ
３３    コンプレッサ
４４    冷却水温度センサ（冷却水温度検出部）
４５    冷却水温度センサ（冷却水温度検出部）
６０    コントローラ
６１    電流センサ
６２    電圧センサ
Ｓ２０２  含水量算出手段
Ｓ２０３、Ｓ２１１、Ｓ２１３  内部インピーダンス算出手段
Ｓ２０４、Ｓ２１２、Ｓ２１４  始動時温度算出手段
Ｓ２０５〜Ｓ２０８  走行可否判断手段
Ｓ２０５、Ｓ２０６、Ｓ２０９  暖機可否判断手段
Ｓ２１０  濃度判定手段
Ｓ３０１  運転制御手段
【図１】
0005741320.tif 000002
【図２】
0005741320.tif 000003
【図３】
0005741320.tif 000004
【図４】
0005741320.tif 000005
【図５】
0005741320.tif 000006
【図６】
0005741320.tif 000007
【図７】
0005741320.tif 000008
【図８】
0005741320.tif 000009
【図９】
0005741320.tif 000010
【図１０】
0005741320.tif 000011
【図１１】
0005741320.tif 000012
【図１２】
0005741320.tif 000013
【図１３】
0005741320.tif 000014